快硬UHPC的研发及其在道路快速维养工程中的示范应用

2021-02-23周渊王雄秦廉李欢欢黄岚陈黎安张跃明徐月梅

新型建筑材料 2021年1期

周渊，王雄，秦廉，李欢欢，黄岚，陈黎安，张跃明，徐月梅

（1.上海城建物资有限公司，上海 200438；2.上海市浦东新区建设工程安全质量监督站，上海 200127；3.上海住总工程材料有限公司，上海 210204）

近年来，我国城市基础设施的建设得到快速发展，但是由于外部影响因素作用，城市基础设施的老化速度正在加剧，配套混凝土结构服役寿命大幅缩短，20世纪末建成的混凝土结构即将迎来修补加固高峰期。在城市快节奏发展和高交通压力的背景下，如何快速实现老旧混凝土结构的低影响、高质量、高耐久修补加固是目前亟待展开研究的课题。

快速修复材料方面，目前国内多采用硫铝酸盐类水泥作为主要原材料[1]，但其本身具有诸多缺陷，如收缩大、裂缝明显、后期强度倒缩、可操作时间不易调控、对工况条件敏感性高等。这些缺陷导致该类修补混凝土不利于实际施工及工程耐久性[2]。现场施工设备方面，目前主要依靠传统现场搅拌的方式，通常为0.1～0.3 m3/次，搅拌和施工效率低下，需借助多台作业设备和人海战术，同时产生大量的扬尘，只能适应小面积的施工作业。针对大规模工程需求，国外已经开发出一种移动式储料、搅拌、浇筑作业一体化作业车，但是其最大容量仅为7 m3/车，据了解，该设备为螺杆搅笼搅拌方式，无法有效保证连续搅拌时的混凝土拌合物匀质性及质量稳定性。

基于课题组关于UHPC材料特性和研究基础，本项目采用硅酸盐水泥体系，通过添加特殊的矿物掺合料和缓凝剂，成功开发了一种快硬UHPC材料，结合试制的专用车载集成式搅拌设备，研究成果已成功应用于上海市浦东新区张杨路道路快速维养工程（窨井盖的快速更换），通过本次示范工程应用，可进一步提升快速修补和加固工程的技术水平，降低对城市运行节奏的影响[3]，大幅延长城市基础设施的服役寿命。

1 试验

1.1 原材料

钢纤维：体积掺量1.5%，其中0.20 mm直径钢纤维掺量1.0%、0.12 mm直径钢纤维掺量0.5%，于快硬UHPC干粉料加水搅拌均匀后添加。

1.2 搅拌方法

实验室采用行星式胶砂搅拌机，以1 L拌合物为例：称取2200 g干粉料倒入搅拌锅，加入95 g水搅拌3 min（慢速搅拌2 min、快速搅拌1 min），切换至慢速搅拌，向搅拌锅中缓慢加入117 g钢纤维（直径0.20 mm钢纤维78 g、直径0.12 mm钢纤维39 g），添加钢纤维的时间为30～60 s，继续慢速搅拌3 min后出锅。

2 快硬UHPC的性能

2.1 拌合物性能

2.1.1 流动度

由于UHPC拌合物不含粗骨料，因此采用GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验方法（ISO法）》中的截椎模进行流动度和黏度的表征（见图1），分别记录砂浆流动度扩展至260、300 mm所需的时间T260、T300，以及30、120 s时对应的流动度F30、F120。快硬UHPC的流动度见表1。

图1 UHPC的流动度和黏度

表1 快硬UHPC的流动度

本项目研发的快硬UHPC不仅具有优异的流动性，通过对测试方法的改进，实现了拌合物黏度和可操作时间的定量化评判，性能指标完全符合快速维养施工需求，本项目的研发数据和测试方法可为今后大规模生产和应用的质量稳定性管控以及快速检测奠定基础。

2.1.2 可操作时间及硬化情况

由于UHPC拌合物内存在大量钢纤维，采用GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》中的凝结时间测试方法，如针入仪和贯入阻力仪均无法准确表征，因此本文采用拌合物温度监测的方法（见图2）判定拌合物的可操作时间，即拌合物从加水时间算起到失去工作性的时间（接近初凝时间），经过大量温度曲线测试结果以及拌合物硬化情况观察，典型代表数据见图3和表2。

在室外拾音必须提前做好录音设备检查，携带好录音器材。当遇到过强声音时，为避免录音机输入的过载，造成失真不能使用。可以使用提前准备的小型衰减器，控制传声器与声源的距离角度。还要注意有用信号和噪声的关系，为了使录到的声音不被周围的噪声掩盖，必须注意传声器与有用信号的距离，设法减弱无用噪声的比例，比如让传声器远离噪声源或者用吸声材料做适当的隔声处理等。注意防风，加装防风罩或其他方法，减少对传声器的影响。

图2 温度监测记录仪

图3 拌合物温度曲线及可操作时间对应拐点

表2 拌合物可操作时间及凝结硬化情况

由图3和表2可以最终确定，当拌合物上升1 ℃时，温度曲线出现明显拐点，此刻拌合物即将失去流动性，该时间即为拌合物可操作时间；当温度上升2 ℃时，已经基本接近初凝状态，随之快速达到终凝状态，试块颜色变白、开始发热；终凝后的1～2 h为强度快速发展期，试块大量释放热量，温度曲线达到峰值后开始回落。

2.2 力学性能

2.2.1 抗压、抗折强度

参照GB/T 17671—1999，成型40 mm×40 mm×160 mm胶砂试块进行抗压、抗折强度测试，结果见表3。

表3 快硬UHPC不同龄期的强度变化

由表3可见：

（1）2 h～1 d强度发展规律。快硬UHPC早期强度发展主要集中在终凝以后的1～2 h，随后进入稳定发展期，该特性对于扰动工况快速施工时，将施工和车辆扰动对水化进程的影响降至最低，2 h抗压强度可达39.8 MPa，2 h抗折强度高达11.7 MPa。

（2）1～28 d强度发展规律。快硬UHPC在数小时内强度快速增长，随后即进入较为稳定的强度增长，1～28 d强度发展空间较大。28 d抗压、抗折强度分别达到162.2、37.4 MPa。

（3）长龄期强度发展规律及R90/R28系数。快硬UHPC的强度保留系数R90/R28为105.1%，180 d依然有小幅增长，更长龄期强度以及中试成型构件的钻芯取样强度发展规律还在持续进行中。

2.2.2 抗拉强度及应力应变曲线

根据CECS 13：2009《纤维混凝土试验方法》以及T/CBMF 37—2018《超高性能混凝土基本性能与试验方法》进行抗拉试验，快硬UHPC的抗弯及轴心受拉（50 mm×100 mm截面）曲线分别见图4、图5。

图4 快硬UHPC的弯曲韧性曲线

图5 快硬UHPC的轴心抗拉应力应变曲线

由图4、图5可见，本研究制备的快硬UHPC表现出优异的弯曲韧性和抗拉性能，其抗弯强度平均值为13.5 MPa，抗拉强度峰值为5.8 MPa。在弯曲韧性方面，其弯曲韧性系数I5、I10、I20分别为5.2、11.2和24.6，荷载-挠度曲线较为饱满，因此具有较高的韧性。受拉应力应变曲线也较为理想，即经过弹性段达到峰值后曲线呈缓慢下降趋势，因此表现出较为优异的抗拉性能。相较于普通混凝土或传统快速修复材料而言，势必可具有更高的结构性能和服役寿命。

3 示范工程应用

3.1 工程概况

本次示范工程道路快速维养项目位于上海市浦东新区金口路靠近张杨路，修复部位之前采用的是老款窨井盖，加上混凝土老化及常年过往车辆行驶碾压，窨井盖周边混凝土板块已经出现明显凹陷、开裂和破损（见图6），严重影响驾乘舒适感和市容市貌，因此亟待更换。但是施工位置处于学校、商场、居民区附近繁忙交通路段，若采用普通混凝土，需养护7 d甚至更久，势必影响周边居民和车辆的出行；若采用传统快硬材料，由于其脆性大、易开裂和质量不稳定性等因素，结合修复部位的结构特点和受力情况，往往可能出现反复维养的问题。

图6 破损待修复部位

为最大程度减少道路施工对交通的影响，避开早晚交通压力高峰时段，混凝土施工窗口期仅有数小时。基于课题组前期大量试验研究和中试验证基础上，最终采用课题组研发的2 h快硬UHPC材料，并配备专用车载移动式搅拌作业设备施工作业，浇筑后2 h即可恢复开放交通。鉴于UHPC具有极高的抗压、抗拉、抗弯、耐冲击、耐磨、耐腐蚀等性能，可望大幅提高本次修复部位窨井盖及周边混凝土整体受力情况并大幅延长其服役寿命。

3.2 施工流程

本次道路施工开挖面积约3.3 m2（见图7），UHPC浇筑量为0.6 m3，混凝土施工仅耗时数小时，施工流程与节点见图8。

图7 施工现场（开挖并更换新式窨井盖）

图8 更换道路窨井盖快速施工流程

3.3 施工过程及结果表现

（1）搅拌

本次采用的UHPC车载移动式搅拌系统采用强制行星式搅拌主机，并集成了投料操作平台、水箱、高精度水计量系统、钢纤维振动分散下料装置、水箱、清洗设备、除尘装置、控制主机、出料料斗和轨道等诸多装置和功能于一体（见图9），额定出料容量为375 L，每次搅拌UHPC干粉料500 kg（约230 L），单次搅拌耗时仅为15～20 min，拌合物状态优异、钢纤维分散均匀，制备效率较高，相较于常规搅拌设备，在减少劳动作业人员数量和工作强度、拌合物质量和搅拌效率方面均有明显优势。

（2）浇筑

本次浇筑量约0.60 m3，分3次搅拌和浇筑（见图10），由于UHPC内部自由水非常低，施工环境相对湿度较低（50%～60%），若不采取必要措施浇筑表面由于失水作用必将会产生明显的“起壳”和浇筑冷缝现象。根据前期中试经验，分次浇筑后即刻均匀喷洒保水剂[见图10（b）]，加上拌合物具有足够的可操作时间（实测约40 min），上述现象在本次施工过程中没有被发现，浇筑质量优异。

（3）硬化及2 h强度